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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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UWB突破應用抑制睡眠呼吸中止床墊問世

張舜芬

工研院累積多年經驗開發的超寬頻非接觸監測技術 (Ultra Wide Band; UWB),因為不需接觸人體即可偵測人體胸腔的微小位移,並同時測量呼吸與心跳等生理參數,在醫療電子產業已廣受矚目。2013年底,工研院並應用 UWB 生理感測技術,協助業者推出全球第一張可抑制睡眠呼吸中止症(OSA)的智慧床墊。

還記得花博夢想館裡,可以隨著參觀者呼吸長大的樹木嗎?隨著參觀者每一次深呼吸,樹木彷彿就吸飽了二氧化碳一點一點地長大。

真實世界中,這種可以靈敏捕捉人體生理訊號的「超寬頻非接觸監測技術」(UWB),是一種寬頻帶的短暫電磁脈衝波,透過天線測得脈衝至人體器官介面所反彈回來的反射波,再從反射波中理出呼吸、心跳或脈搏數據。相較於傳統生理監測技術,UWB 最大的突破就是毋需配戴任何感應器,即可感測並傳輸生理訊號。

醫療民生應用 UWB帶動寢具創新

「在花博夢想館一看到工研院的樹木,還有後來的行氣寫書法,我們就覺得可以應用在智慧床墊的開發上,很快就找上工研院量測技術發展中心的林宏墩博士,展開合作開發,」以泡綿代工起家的世大化成董事長王為寬說。自2000年推出自有易眠寢具品牌的世大化成公司,藉由工研院的 UWB 技術,再次點亮了創新火花。

應用工研院UWB 生理感測技術開發的安心床墊,是透過床墊內嵌的感應器,以短暫脈衝電磁波經過天線發射至人體,在體表產生反射波後由天線接收,因此可以偵測到胸腔位移的各項微小變化,算出呼吸的生理參數,再透過演算法辨別睡眠時呼吸的疾病打鼾和睡眠呼吸中止症。

「感測睡眠品質的床墊所在多有,我們除了憑藉工研院的 UWB 生理感測技術監測使用者睡眠品質,還做到讓床墊可以立即反應,」世大化成 UWB 專案經理蘇榮弘博士說。

當打鼾和睡眠呼吸中止症發生時,UWB生理感測技術一捕捉到訊號,就會透過藍芽傳輸到行動裝置,除了記錄並提出警示,床墊還會自動調整頭部與頸部傾斜角度,讓使用者盡快恢復正常呼吸,同時不會打斷睡眠。

UWB 生理感測技術過去常見於軍警用途,而工研院自 2001 年起,便開始積極將超寬頻技術轉為民生方面的開發使用,尤其著重居家照護領域。這項技術的最大特點,就是不必使用任何有形感測器,而且因為使用短脈衝電波進行偵測,電磁波能量相當低,長時間監測仍然十分方便舒適。

工研院技轉UWB 搶占睡眠醫學商機

走進世大化成的旗艦店,整潔明亮的空間裡,一張張看似平凡的雪白床墊,結合了溫感釋壓材質與睡眠偵測技術,不僅舒適、也增添守護睡眠功能,展現劃時代的科技創新。

「現代寢具不外乎所追求的即是床墊的舒適與美觀,但如此對於未來的寢具市場總有會飽和的一天,」王為寬說。

2011年全世界床墊產值約為200多億美元,而2002年至2011年,全世界的床墊消費每年平均以9%的速率增長,中國大陸已成為全球第二大床墊市場,年消費增長率達24%。而根據經濟部公布數據顯示,2012年國內寢具業產值為新臺幣17.5億元,相較於2010年之新臺幣12.9億元,也有顯著成長。

世大化成跨足寢具並非偶然,導入工研院的技術,成功推升了床墊附加價值,也帶動世大化成朝向醫療電子的快速轉型。

「在研發過程中經常遇到軟體、韌體、硬體上的問題,工研院不只是將技術技轉給我們,也提供了他們的專業技術與研究能力,一同替我們找出問題,並設法解決,加速產品化的可能。」蘇榮弘博士說。

除了看準目前全臺約 45 萬名睡眠呼吸中止症患者,以智慧床墊對症下藥,世大化成也著眼 600 萬名睡眠品質不良的青壯年人口,以科技改善睡眠品質,及早防範睡眠障礙疾病的發生,期許以創新智慧床墊搶占睡眠醫學商機。

「以睡眠呼吸中止症患者為例,過去他們必須配戴牙套、支架、CPAP連續式正壓呼吸輔助器,才能安心入眠,因為傳統技術只能以聲音偵測來辨識打鼾,無法偵測到無聲無息的睡眠呼吸中止症,」世大化成蘇榮弘博士說。在臨床實驗初步結果顯示,還可減緩睡眠呼吸中止症發生次數。

UWB 打破傳統感測技術僵局

感測技術和無線網路傳輸功能愈趨多元,醫療電子也開始受到社會大眾的重視。網路通訊標準推陳出新,若要展現「智慧」,在蒐集資訊之外也必須要能理解使用者行為,甚至予以分析、找出洞見。

在此技術升級的過程中,感測元件扮演關鍵角色。感測器要宛如人體五官,採集環境資訊,再經由運算做出正確的因應判斷。

一般傳統生理監視器,因為必須要在皮膚上黏貼電線與電極,不僅不方便,也不適合長期檢測。UWB生理感測技術做為新興睡眠生理感測技術,是以非接觸式的量測方法,達到可即時、非接觸式、長時間、連續的監測,而且發射能量很低,不會傷害人體,並整合感測、訊號處理、資料傳輸等功能,讓使用者能自行操作。

UWB 技術也讓工研院能帶領產業界突破創新。過去,由於傳統生理監測器材的關鍵技術多半仍由國外大廠掌握,而相關儀器的技術發展也已相當成熟。也因此,對臺灣的產業或廠商來說,傳統生理監測器材的市場仍是由少數國際品牌壟斷。如果要尋求突破,就一定要引進新穎、更能掌握的前瞻技術,例如 UWB 生理感測技術。

UWB廣泛應用 結合App 達成遠端照護

UWB技術之所以能在生理參數的量測方面有效達到精準度,並且不受待測者的姿勢限制,是因為它以都普勒效應原理:以低功率脈衝電波,從身體器官運動或收縮振動時的頻率取得訊號。另外,因為體積小、易攜帶,極適合醫療方面應用,可與手機結合開發隨身感應傳輸裝置,也可與遠距傳輸技術結合,一方面提供醫院與醫師適當的資訊,危急時也可發出警示訊號,及時通知相關人士。

以世大化成的床墊為例,未來UWB生理感測技術在睡眠醫學上的應用,也可搭配手機App擷取睡眠品質資訊,包括臥/離床狀況、呼吸頻率、活動力(翻身)、臥床時間、呼吸中止總次數,做到睡眠品質快篩,提供每日健康紀錄及就醫參考資料。感測到的資訊若透過網路、手機立即傳輸,還能做到親子關懷、遠端居家照護或急救等服務。

因為引進了工研院的 UWB 技術,世大化成也特別成立電子事業部門,全力投入研發,並在推出安心床墊後,持續琢磨可能的應用與發展。例如睡眠呼吸中止症也常見於新生兒,未來UWB生理感測技術也可用於開發新生兒睡眠呼吸中止症快篩床,以防範未然,為珍貴脆弱的小生命提供多一層防護。

「新世代睡眠產業的發展潛力無窮,工研院看到他們的創意可以落實在實際可用的產品裡,也很高興,」蘇榮弘博士說。「與工研院合作歷時3年之久,不只是技轉了UWB技術,對於未來,工研院也刺激我們發想更多可能的應用,像是睡眠深淺度的研究、情緒監測、心律監測、血壓監測等。」

下一步世大化成也將持續與工研院合作開發例如情緒座椅、嬰兒生理訊號監控床,朝向資訊醫療產業發展,期望對國內睡眠產業注入新的技術創新與應用。

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